摘要: 为了在海面上获取长期、连续和实时的海洋环境要素观测数据，建立了远程激光供能海洋观测浮标。岸基站发射的激光经大气传输至远端浮标，经过高效太阳能电池板的光伏转换为浮标的测量系统和无线通信单元供电，可完成实时测量和通信。实验实现了远程激光供能海洋观测浮标的原型系统，采用波长为650 nm的半导体激光器和砷化镓太阳能电池板进行远程供电，实现了距离为3 m、测量频率为1 Hz的实时温度测量，测量数据通过无线通信方式传输回基站。远程激光供能海洋观测浮标可通过激光实现实时能源补给，维护简单，供电受天气影响小，可实现长期、连续和实时的海洋观测。
Abstract:
A remote laser powered ocean observation buoy is established to obtain long-term, continuous and real-time marine environmental data in the sea surface. Laser power at a base station is transmitted over atmosphere to the remote buoy, and provides the electric power for the measurement system and wireless communication unit by high efficiency solar panels. Then the real-time measurement and communication can be achieved. In the experiment, a prototype system of the remote laser powered ocean observation buoy is realized. A 650 nm semiconductor laser and a GaAs solar cell were used to obtain real time temperature data with 3 m distance and 1 Hz frequency by wireless communication. Remote laser powered ocean observation buoy can provide real-time energy supply with simple maintenance and power supply is not susceptible to weather, so that it can achieve long-term, continuous and real-time ocean observation.
1. 引言
无线能量传输是解决远程供电的有效手段之一，常用的传输方式包括电磁感应方式、磁耦合方式、微波方式和激光方式。激光具有发散角小和能量密度高的优点，因此通过激光能量传输可实现远距离无线能量传输。近年来，基于激光供能的方式已经广泛应用在无线传感网络 [1] [2] [3] 和无人机的远程充电 [4] [5] [6] [7] 中，并在越来越多的应用领域展示了其技术优越性。
随着海洋科学和技术的发展，长期、连续和实时的海洋观测技术在人类认识、开发和利用海洋过程中发挥着越来越重要的作用。而对于大多数海洋观测技术来说，供电一直是观测平台或观测仪器要解决的首要问题。海上浮标可同时获取空中、水面和水下的观测信息，是重要的海洋无人观测平台之一，目前主要采用电池供电或太阳能电池板供电。然而依赖于电池的供电方式在长期在线监测时需要昂贵的维护成本，而采用太阳能电池板供电则受天气影响较大。为实现在海面上的长期、连续和实时观测，本文提出了一种基于远程激光供能方式的海洋观测浮标，具有全天候供电、受天气影响小、维护成本低等优点。本文介绍了远程激光供能浮标的工作原理，设计并实现了原型实验系统，验证了远程激光供能方式的可行性。
2. 远程激光供能浮标工作原理
图1为远程激光供能浮标工作原理图，分为基站和远程浮标两部分。基站主要由激光器、基站无线通
Figure 1. Block diagram of remote laser powered buoy
图1. 远程激光供能浮标工作原理图
信系统、跟踪及控制系统构成，远程浮标包括太阳能电池板、浮标测量系统和浮标无线通信系统。激光器发射的光经过大气传输，由浮标的太阳能光伏电池板接收，通过光伏转换为测量系统及通信系统供电，测量数据通过无线通信方式传回至基站。基站可发送相应的工作指令至远程浮标，也可以根据需要集成跟踪及控制系统用于实时获取浮标的位置、姿态，锁定太阳能光伏电池板，并控制激光器的发射角度，提高激光接收强度。通过激光远程供电，可实现对浮标的持续供电，从而进行长期、连续和实时的测量。
3. 远程激光供能浮标原型系统设计
3.1. 远程激光供电
基站激光器采用波长为650 nm的红光半导体激光器，经过透镜准直后，使用北京光电技术研究所的M92A型光功率计测量其光功率为220 mW。光接收采用香港新杰有限公司的砷化镓太阳能晶片，如图2所示，其感光尺寸为10 × 10 mm，开路电压为2.6 V左右。该晶片具有良好的耐热性，可接收强光并能持续工作，最大输出功率15 W，应用于聚光发电系统光电转换效率可达40%。
为得到稳定的输出电压，采用SDXM升压式稳压模块，如图3所示，输入电压为DC 1.0 V~3.3 V，输出电压约为3.3 V，为测量系统及无线通信单元提供一个稳定的供电电压。
Figure 3. SDXM Boost regulator module
图3. SDXM升压式稳压模块
3.2. 测量与通信单元设计
为实现简易的浮标系统，测量部分选用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820。通信单元采用的是北京博铭达公司的低功耗无线数据传输模块RF190S和RF300E，如图4所示。RF190S位于基站，RF300E位于模拟浮标系统，与传感器DS1820相连，采用被动工作模式，可将温度数据和模块供电的电压定时发送给RF190S。RF300E工作电压范围2.1 V~3.6 V，可实现700米以上传输距离，发射功率最大10 mW。
Figure 4. Wireless data transmission module
图4. 无线数据传输模块
3.3. 基站控制系统
基站控制系统由PC、串口服务器和无线通信模块RF190S组成，其中串口服务器的主要功能是完成串口和网络接口的转换，串口服务器与PC之间通过RJ45网络接口连接，从而实现RF190S与PC之间的通信。上位机软件采用Labview语言编写，主要用于配置无线通信模块并接收浮标模拟系统的温度测量数据、传感器供电电压和无线数据传输模块的接收场强，完成数据的显示和存储。在原型系统中尚未实现浮标跟踪定位和激光器光束方向的自动调节。
4. 模拟浮标系统观测实验
图5为远程激光供能浮标实验系统。实验中，浮标模拟系统上的砷化镓太阳能晶片与激光器距离为3 m。经测量，接收光功率为87 mW，功率测量仍采用的是北京光电技术研究所的M92A型光功率计。经过SDXM升压式稳压模块后，输出电压约2.68 V，此时可满足温度传感器DS1820和无线数据传输模块RF300E的供电要求，传感器的温度测量频率为1 Hz。
Figure 5. Remote laser powered buoy experiment system
图5. 远程激光供能浮标实验系统
基站控制系统持续可接收温度、传感器供电电压和无线通信模块接收场强数据，图5中的显示界面即为连续1个小时的温度测量结果。供电电压出现若干次短时波动，但基本比较稳定，不影响测量。
5. 结论
本文设计并实现了一种远程激光供能浮标原型系统，采用波长为650 nm的激光器和砷化镓太阳能电池进行远程供电，实现了距离为3 m、测量频率为1 Hz的实时温度测量，测量数据通过无线通信方式传输回基站。实验验证了远程激光供能技术可应用于浮标进行持续供电和实时通信。远程激光供能海洋观测浮标具有维护简单、供电受天气影响小的优点，可在海面上实现海洋观测要素的长期、连续和实时观测。为了保证浮标供电效果，需要进一步实现浮标跟踪定位和激光器光束方向的自动调节，并在必要时设计电能存储单元，从而提高系统的环境适应性。